基于ZnO- SiO2 為電子傳輸層的全無機(jī)鈣鈦礦太陽能電池

張巖鷹

（哈爾濱師范大學(xué)，黑龍江 哈爾濱150500)

1 概述

近年來，隨著傳統(tǒng)化石能源面臨著逐漸枯竭和嚴(yán)重的環(huán)境污染問題，清潔能源的開發(fā)與利用更加迫在眉睫。太陽能作為清潔能源的重要來源之一：具有來源廣、污染小等優(yōu)點(diǎn)[1]，其中鈣鈦礦作為新興的太陽能電池在近幾年的發(fā)展中快速達(dá)到較高的光電轉(zhuǎn)換效率23%[2]，但其滯后性和穩(wěn)定性一直未得到改進(jìn)[3]，主要原因是界面載流子復(fù)合以及界面與界面之間存在缺陷。典型的鈣鈦礦太陽能電池主要是由電子傳輸層，鈣鈦礦層以及空穴傳輸層構(gòu)成[4]。其中ZnO 因具有直接寬禁帶、高電子遷移率和透明導(dǎo)電性等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于電子傳輸層，但ZnO 表面的羥基和氧空位等缺陷導(dǎo)致電池嚴(yán)重不穩(wěn)定性和能量損失[5]。本實(shí)驗(yàn)采用SiO2水解的方法有效的鈍化了ZnO, 由改良后的ZnO構(gòu)成的鈣鈦礦太陽能電池具有增強(qiáng)的開路電壓，短路電流，填充因子并且實(shí)現(xiàn)了12.42%的光電轉(zhuǎn)換效率。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 電池組裝：依此使用玻璃清洗劑，去離子水，丙酮，異丙醇超聲清洗每次10min，氮?dú)獯蹈珊蟪粞跆幚?5min。ZnO 前體溶液是根據(jù)文獻(xiàn)制備[6]，將其以4000rpm 30s 的速度旋涂到ITO玻璃上，在200℃的空氣中退火20 分鐘。將基板轉(zhuǎn)移到呈有水解溶液的玻璃培養(yǎng)皿中，在烘箱25℃的條件下浸泡所需時(shí)間后用乙醇沖洗并吹干，在200℃的空氣中退火30min，然后將基板轉(zhuǎn)移到氮?dú)馐痔紫渲小⑩}鈦礦溶液以3000rpm 40s 的速度旋涂到基底上并在270℃的溫度下退火10 分鐘。將PTAA 溶液（溶于氯苯中10mg/mL）以2500rpm 40s 的速度旋涂到鈣鈦礦層上。最后通過真空計(jì)蒸發(fā)MoO3（6nm）和Ag（80nm）到PTAA 上。電池的有效面積是4mm2。

2.2 鈣鈦礦溶液的合成：將0.3mmoLCsI,0.3mmoLPbI2,0.1mmoLPbBr2和0.1mmoLCsBr 加入到1mL 的DMF 和DMSO 的混合溶液中(體積比為4：1),手套箱中60℃下磁力攪拌一夜，直至溶液呈透明黃色溶液。

2.3 水解溶液的合成：取16mL 的無水乙醇加入4mL 去離子水，200uL 正硅酸乙酯和80uL 氨水，共同放到50mL 藍(lán)口瓶中，常溫下放在磁力攪拌器下攪拌10h。

3 結(jié)果與討論

用掃描電子顯微鏡（SEM）研究CsPbI2.25Br0.75薄膜的形貌。通過圖1a 可以清楚看到形成的晶粒有大有小不規(guī)整，而圖1b 中經(jīng)過SiO2修飾的ZnO 上形成了具有較大晶粒的CsPbI2.25Br0.75晶體膜，對(duì)于鈣鈦礦晶體來說晶粒尺寸的增加導(dǎo)致晶粒邊界更少，從而減少了電荷復(fù)合，并且經(jīng)過SiO2修飾的ZnO 上的鈣鈦礦薄膜更加平整，從圖2d 中可以看出整個(gè)電池具有較理想的平整性，當(dāng)浸泡時(shí)間為3 分鐘時(shí)SiO2 的修飾達(dá)到最理想的狀態(tài)使得整個(gè)電池獲得最高的光電轉(zhuǎn)化效率。通過對(duì)CsPbI2.25Br0.75薄膜進(jìn)行紫外可見吸收光譜測(cè)試如圖2(a)，CsPbI2.25Br0.75薄膜的Tauc 曲線如圖2(b)所示，表明帶隙為1.87eV。通過查閱文獻(xiàn)可知SiO2修飾過的ZnO 的導(dǎo)帶較高與CsPbI2.25Br0.75的導(dǎo)帶匹配良好，這可以減少從鈣鈦礦到ZnO 的電子轉(zhuǎn)移過程中的能量損失，從而獲得更高的光電轉(zhuǎn)化效率。圖3 為基于不同電子傳輸層的電池J-V 曲線。當(dāng)ZnO 單獨(dú)作為電子傳輸層時(shí)電池展現(xiàn)出較低的光電轉(zhuǎn)化效率為9.9%，短路電流18.49mA/cm2，開路電壓0.97V，填充因子僅為54.24。電池效率較低的原因主要是由于晶界表面存在大量缺陷，導(dǎo)致載流子發(fā)生復(fù)合。當(dāng)使用SiO2鈍化后的ZnO-SiO2為電子傳輸層時(shí)，界面復(fù)合大大減少，不同程度上提高了整個(gè)電池的光電轉(zhuǎn)化效率，其中當(dāng)浸泡時(shí)間為3 分鐘時(shí)獲得最高的光電轉(zhuǎn)化效率12.42%，短路電流也提升到19.37mA/cm2，開路電壓提升到1.02V，填充因子也上升為66.53。提升的原因不僅是因?yàn)樾揎椇笤傩康拟}鈦礦晶粒變大，表面更平整，同時(shí)也修飾了界面與界面間的接觸，在能級(jí)更加匹配的基礎(chǔ)上大大的減少了能量損失和電子復(fù)合從而獲得了更高的光電轉(zhuǎn)化效率。

4 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過利用SiO2修飾ZnO 作為電子傳輸層從而提高了電池的光電轉(zhuǎn)化效率。在純ZnO 作為電子傳輸層得到的電池效率9.9%的基礎(chǔ)上提升了大約25%。該實(shí)驗(yàn)方法不僅修飾了電子傳輸層以及界面間的缺陷同時(shí)也使得電子傳輸層與鈣鈦礦之間的能級(jí)更加匹配，為優(yōu)化電子傳輸層提供了新思路。

圖1(a)zno/鈣鈦礦的表面掃描電鏡圖像，(b)Zno/SiO2/鈣鈦礦的表面掃描電鏡圖像，(c)模擬的電池結(jié)構(gòu)示意圖，（d）整個(gè)電池截面的掃描電鏡圖像

圖2(a)CsPbI2.25Br0.75 的紫外吸收光譜，（b）CsPbI2.25Br0.75 的能帶

圖3 基于不同電子傳輸層的電池J-V 曲線